薄膜材料與薄膜技術(shù)答案

1、薄膜材料與薄膜技術(shù) 答案薄膜材料與薄膜技術(shù)(答案) 2011年11月19日第一章 真空技術(shù)基礎(chǔ) 1、膜的定義及分類。 答：當固體或液體的一維線性尺度遠遠小于它的其他二維尺度時，我們將這樣的固體或液體稱為膜。 通常，膜可分為兩類： （1）厚度大于1mm的膜，稱為厚膜； （2）厚度小于1mm的膜，稱為薄膜。 2、人類所接觸的真空大體上可分為哪兩種？ 答：（1）宇宙空間所存在的真空，稱之為“自然真空”；（2）人們用真空泵抽調(diào)容器中的氣體所獲得的真空，稱之為“人為真空”。 3、何為真空、絕對真空及相對真空？ 答：不論哪一種類型上的真空，只要在給定空間內(nèi)，氣體壓強低于一個大氣壓的氣體狀態(tài)，均稱之為真空。

2、完全沒有氣體的空間狀態(tài)稱為絕對真空。目前，即使采用最先進的真空制備手段所能達到的最低壓強下，每立方厘米體積中仍有幾百個氣體分子。因此，平時我們所說的真空均指相對真空狀態(tài)。 4、毫米汞柱和托？ 答：“毫米汞柱（mmHg）”是人類使用最早、最廣泛的壓強單位，它是通過直接度量長度來獲得真空的大小。1958 年，為了紀念托里拆利，用“托（Torr）”，代替了毫米汞柱。1 托就是指在標準狀態(tài)下，1 毫米汞柱對單位面積上的壓力，表示為1Torr=1mmHg。 5、真空區(qū)域是如何劃分的？ 答：為了研究真空和實際使用方便，常常根據(jù)各壓強范圍內(nèi)不同的物理特點，把真空劃分為以下幾個區(qū)域：（1）粗真空：l´

3、;105 l´102 Pa，（2）低真空：l´102 1´10-1Pa，（3）高真空：l´10-1 1´10-6Pa和（4）超高真空：< 1´10-6Pa。 6、真空各區(qū)域的氣體分子運動規(guī)律。 答：（1）粗真空下，氣態(tài)空間近似為大氣狀態(tài)，分子仍以熱運動為主，分子之間碰撞十分頻繁；（2）低真空是氣體分子的流動逐漸從黏滯流狀態(tài)向分子狀態(tài)過渡，氣體分子間和分子與器壁間的碰撞次數(shù)差不多；（3）高真空時，氣體分子的流動已為分子流，氣體分子與容器壁之間的碰撞為主，而且碰撞次數(shù)大大減少，在高真空下蒸發(fā)的材料，其粒子將沿直線飛行；（4）在超高真

4、空時，氣體的分子數(shù)目更少，幾乎不存在分子間的碰撞，分子與器壁的碰撞機會也更少了。 7、何為氣體的吸附現(xiàn)象？可分幾類、各有何特點？ 答：氣體吸附就是固體表面捕獲氣體分子的現(xiàn)象，吸附分為物理吸附和化學吸附。 （1）物理吸附?jīng)]有選擇性，任何氣體在固體表面均可發(fā)生，主要靠分子間的相互吸引力引起的。物理吸附的氣體容易發(fā)生脫附，而且這種吸附只在低溫下有效；（2）化學吸附則發(fā)生在較高的溫度下，與化學反應(yīng)相似，氣體不易脫附，但只有當氣體中的原子和固體表面原子接觸并形成化合鍵時才能產(chǎn)生吸附作用。 8、何為氣體的脫附現(xiàn)象？ 答：氣體的脫附是氣體吸附的逆過程。通常把吸附在固體表面的氣體分子從固體表面被釋放出來的過程

5、叫做氣體的脫附。 9、何為電吸收和化學清除現(xiàn)象？ 答：電吸收是指氣體分子經(jīng)電離后形成正離子，正離子具有比中性氣體分子更強的化學活潑性，因此常常和固體分子形成物理或化學吸附；化學清除現(xiàn)象常在活潑金屬（如鋇、鐵等）固體材料的真空蒸發(fā)時出現(xiàn)，這些蒸發(fā)的固體材料將與非惰性氣體分子生成化合物，從而產(chǎn)生化學吸附。 10、影響氣體在固體表面吸附和脫附的主要因素 答：（1）氣體的壓強、（2）固體的溫度、（3）固體表面吸附的氣體密度以及（4）固體本身的性質(zhì)，如表面光潔程度、清潔度等。 11、目前常用獲得真空泵主要有幾種類型，各自的特點？ 答；目前常用獲得真空的設(shè)備主要有氣體傳輸泵（旋轉(zhuǎn)式機械真空泵、油擴散泵、復(fù)

6、合分子泵）和氣體捕獲泵（分子篩吸附泵、鈦升華泵、濺射離子泵和低溫泵）兩類。氣體傳輸泵是一種通過將氣體不斷吸入并排出真空泵從而達到排氣的目的泵；氣體捕獲泵是一種利用各種吸氣材料所特有的吸氣作用將被抽空間的氣體吸除，以達到所需真空度的泵。氣體捕獲泵工作時不采用油做介質(zhì)，故又稱之為無油類泵。 12、何為前級泵和次級泵？ 答：機械泵和吸附泵都是從一個大氣壓力下開始抽氣，因此常將這類泵稱為“前級泵”，而將那些只能從較低的氣壓抽到更低的壓力下的真空泵稱為“次級泵”。 13、何為機械泵，其工作特點是什么？機械泵有哪幾種形式？ 答：凡是利用機械運動（轉(zhuǎn)動或滑動）以獲得真空的泵，就稱為機械泵。機械泵可以從大氣壓

7、開始工作的典型的真空泵，既可以單獨使用，又可作為高真空泵或超高真空泵的前級泵。由于這種泵是用油來進行密封的，所以屬于有油類型的真空泵。機械泵常見的有旋片式、定片式和滑閥式（又稱柱塞式）幾種，其中以旋片式機械泵最為常見。 14、何為分子泵，其工作特點是什么？分子泵有哪幾種形式，各有何特點？ 答：分子泵也屬于氣體傳輸泵，但是它是一種無油類泵，可以與前級泵構(gòu)成組合裝置，從而獲得超高真空。分子泵分為牽引泵（阻壓泵）、渦輪分子泵和復(fù)合分子泵三大類：（1）牽引泵在結(jié)構(gòu)上更為簡單，轉(zhuǎn)速較小，但壓縮比大；（2）渦輪式分子泵可分“敞開”葉片型和重疊葉片型，前者轉(zhuǎn)速高，抽速也較大，后者則恰好相反；（3）復(fù)合型分子

8、泵將渦輪分子泵抽氣能力高（24000r/min）的優(yōu)點和牽引分子泵（460l/sec）壓縮比大（150）的優(yōu)點結(jié)合在一起，利用高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子攜帶氣體分子而獲得超高真空。 15、何為低溫泵，按其工作原理可分幾種類型？ 答：低溫泵是利用20K 以下的低溫表面來凝聚氣體分子以實現(xiàn)抽氣的一種泵，是目前具有最高極限真空的抽氣泵。低溫泵又稱冷凝泵、深冷泵。按其工作原理又可分為低溫吸附泵、低溫冷凝泵、制冷機低溫泵。 16、捕獲泵再生時必須遵循的要求？ 答：（l）一且開始再生處理，就必須清除徹底。這是因為局部升溫時會使屏蔽板上冷凝的大量水蒸氣轉(zhuǎn)移到內(nèi)部的深冷吸氣板上嚴重損害低溫泵的抽氣能力。（2）再生時應(yīng)使凝

9、結(jié)層穩(wěn)定蒸發(fā)，一定不能使系統(tǒng)內(nèi)氣體壓力超過允許值，否則在除氫這類易燃易爆的氣體時，一旦漏入空氣就有爆炸的危險。（3）再生時，需嚴防來自前級泵的碳氫化合物進入低溫泵內(nèi)污染吸氣面，因此要求抽氣時間盡可能短。 17、按測量原理真空計可分幾種，各自的定義及特點？ 答：真空計的種類很多，通常按測量原理可分為絕對真空計和相對真空計。通過測定物理參數(shù)直接獲得氣體壓強的真空計稱為絕對真空計；通過測量與壓強有關(guān)的物理量，并與絕對真空計比較后得到壓強值的真空計稱為相對真空計。特點：（1）絕對真空計：所測量的物理參數(shù)與氣體成分無關(guān)，測量比較準確，但是在氣體壓強很低的情況下，直接進行測量是極其困難的；（2）相對真空計

10、：測量的準確度略差，而且和氣體的種類有關(guān)。 第二章 薄膜制備的化學方法 1、化學氣相沉積的主要優(yōu)點有哪些？ 答：（1）可準確控制薄膜組分及摻雜水平，獲得具有理想化學配比的薄膜；（2）可在復(fù)雜形狀的基片上沉積；（3）可在大氣壓下進行，系統(tǒng)不需要昂貴的真空設(shè)備；（4）高沉積溫度可大幅度改善晶體的結(jié)晶完整性；（5）利用材料在熔點或蒸發(fā)時分解的特點而得到其他方法無法得到的材料；（6）沉積過程可以在大尺寸基片或多基片上進行。 2、化學氣相沉積的主要缺點有哪些？ 答：（1）化學反應(yīng)需要高溫；（2）反應(yīng)氣體會與基片或設(shè)備發(fā)生化學反應(yīng)；（3）在化學氣相沉積中所使用的設(shè)備可能較為復(fù)雜，且有許多變量需要控制。 3

11、、在化學氣相薄膜沉積過程中可控制的變量有那些？涉及那幾個基本過程？ 答：氣體流量、氣體組分、沉積溫度、氣壓、真空室?guī)缀螛?gòu)型等。因此，化學氣相沉積涉及三個基本過程：（1）反應(yīng)物的輸運過程；（2）化學反應(yīng)過程；（3）去除反應(yīng)副產(chǎn)品過程。 4、化學氣相沉積反應(yīng)器的設(shè)計類型可分成幾種，各自特點有哪些？ 答：（1）常壓和（2）低壓式、（3）熱壁式和（4）冷壁式。特點：（1）常壓式反應(yīng)器：運行的缺點是需要大流量攜載氣體、大尺寸設(shè)備，得到的膜污染程度高。（2）低壓式反應(yīng)器：不需攜載氣體，并在低壓下只使用少最反應(yīng)氣體，此時，氣體從一端注入，在另一端用真空泵排出。低壓式反應(yīng)器已得到迅猛發(fā)展。（3）熱壁式反應(yīng)器：

12、整個反應(yīng)器需要達到發(fā)生化學反應(yīng)所需的溫度，基片處于由均勻加熱爐所產(chǎn)生的等溫環(huán)境下。（4）冷壁式反應(yīng)器：只有基片需要達到化學反應(yīng)所需的溫度，換句話說，加熱區(qū)只局限于基片或基片架。 5、何為激光化學氣相沉積，它的主要機制和作用是什么？ 答：激光化學氣相沉積是通過使用激光源產(chǎn)生出來的激光束實現(xiàn)化學氣相沉積的一種方法。 從本質(zhì)上講，由激光觸發(fā)的化學反應(yīng)有兩種機制：（1）一種為光致化學反應(yīng)，（2）另一種則為熱致化學反應(yīng)。作用：（1）在光致化學反應(yīng)過程中，具有足夠高能量的光子用于使分子分解并成膜，或與存在于反應(yīng)氣體中的其他化學物質(zhì)反應(yīng)并在鄰近的基片上形成化合物膜。（2）在熱致化學反應(yīng)過程中，激光束用作加熱

13、源實現(xiàn)熱致分解，在基片上引起的溫度升高控制著沉積反應(yīng)。 6、激光化學氣相沉積過程中顯示出的那些獨特優(yōu)越性？ 答：激光的方向性可以使光束射向很小尺寸上的一個精確區(qū)域，產(chǎn)生局域沉積。通過選擇激光波長可以確定光致反應(yīng)沉積或熱致反應(yīng)沉積。在許多情況下，光致反應(yīng)和熱致反應(yīng)過程同時發(fā)生。 7、激光化學氣相沉積的反應(yīng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)化學氣相沉積系統(tǒng)相似，但薄膜的生長特點在許多方面是不同的，這其中的主要原因是什么？ 答：（1）由于激光化學氣相沉積中的加熱非常局域化，因此其反應(yīng)溫度可以達到很高。（2）在激光化學氣相沉積中可以對反應(yīng)氣體預(yù)加熱，而且反應(yīng)物的濃度可以很高，來自于基片以外的污染很小。（3）對于成核，表面缺陷

14、不僅可起到通常意義下的成核中心作用，而且也起到強吸附作用，因此當激光加熱時會產(chǎn)生較高的表面溫度。 （4）由于激光化學氣相沉積中激光的點幾何尺寸性質(zhì)增加了反應(yīng)物擴散到反應(yīng)區(qū)的能力，因此它的沉積率比傳統(tǒng)化學氣相沉積高出幾個數(shù)量級。但是，激光化學氣相沉積中局部高溫在很短時間內(nèi)只局限在一個小區(qū)域，因此它的沉積率由反應(yīng)物的擴散以及對流所限制。 8、限制激光化學氣相沉積沉積率的參數(shù)主要有哪些？ 答：反應(yīng)物起始濃度、惰性氣體濃度、表面溫度、氣體溫度、反應(yīng)區(qū)的幾何尺度等。 9、紫外線光致分解沉積系統(tǒng)的優(yōu)點是什么？ 答：（1）真空紫外線可以在沒有任何吸收損失的條件下被直接引向窗口; （2）在窗口處可避免薄膜沉積

15、；（3）沒有光線直接到達基片。 第三章 1、解釋PECVD沉積過程的兩種模型 答：（1）光和團簇助化學氣相沉積，其沉積率為6nm/min ，這里等離子體與基片不接觸。 （2）等離子體助化學氣相沉積，在此過程中，在感應(yīng)加熱等離子體附近的輝光放電等離子體與基片相接觸，沉積率為50nm/min。 2、何為電鍍？ 答：電鍍是電流通過在導(dǎo)電液（稱為電解液）中的流動而產(chǎn)生化學反應(yīng)，最終在陰極上（電解）沉積某一物質(zhì)的過程。 3、在水溶液中，離子被沉積到薄膜以前經(jīng)歷了哪幾個過程？ 答： 去氫； 放電； 表面擴散； 成核、結(jié)晶。 4、電鍍法的優(yōu)缺點有哪些？ 答：電鍍法的優(yōu)點是（1）薄膜的生長速度較快；（2）基片

16、可以是任意形狀，這是其他方法所無法比擬的。電鍍法的缺點是電鍍過程一般難以控制。 5、何為化學鍍？ 答：不加任何電場、直接通過化學反應(yīng)而實現(xiàn)薄膜沉積的方法叫化學鍍?；瘜W反應(yīng)可以在有催化劑存在和沒有催化劑存在時發(fā)生，使用活性劑的催化反應(yīng)也可視為化學鍍。 6、LB 膜技術(shù)所形成膜的類型有哪幾種？請畫出相應(yīng)膜結(jié)構(gòu)。 答： （1）如果沉積層只在基片下降時得到，這樣的沉積或制造的膜稱為X型； （2）當基片下降或抽取時實現(xiàn)膜的沉積則此膜為Y 型，這一類型膜為大多數(shù)研究者所研究； （3）當只有當基片抽取時發(fā)生膜沉積，此時獲得的膜稱為Z 型，這一沉積模式是不常見的。 10、在水溶液中，離子被沉積到薄膜以前經(jīng)歷的

17、具體過程有哪些？ 答： 去氫； 放電； 表面擴散； 成核、結(jié)晶。 11、何為電鍍？其主要優(yōu)缺點有哪些？電鍍法制備的薄膜性質(zhì)主要取決于什么？ 答：電鍍是電流通過在導(dǎo)電液（稱為電解液）中的流動而產(chǎn)生化學反應(yīng)，最終在陰極上（電解）沉積某一物質(zhì)的過程。電鍍法的主要優(yōu)點是薄膜的生長速度較快；基片可以是任意形狀，這是其他方法所無法比擬的。電鍍法的缺點是電鍍過程一般難以控制。電鍍法制備的薄膜性質(zhì)取決于電解液、電極和電流密度。 12、何為化學鍍？ 答：不加任何電場、直接通過化學反應(yīng)而實現(xiàn)薄膜沉積的方法叫化學鍍?；瘜W反應(yīng)可以在有催化劑存在和沒有催化劑存在時發(fā)生，使用活性劑的催化反應(yīng)也可視為化學鍍。 13、何為L

18、B技術(shù)？ 答：l933年Katharine Blodgtt 和Irving Langmuir發(fā)現(xiàn)利用分子活性在氣液界面上形成凝結(jié)膜，將該膜逐次疊積在基片上形成分子層（或稱膜）的技術(shù)，后被稱為Longmuir-Blodgett（LB）技術(shù)。 第三章 薄膜制備的物理方法 1、物理氣相沉積過程的三個階段 答：（1）從源材料中發(fā)射出粒子； （2）粒子輸運到基片； （3）粒子在基片上凝結(jié)、成核、長大、成膜。 2、真空蒸發(fā)沉積的物理原理及特點？ 答：在真空環(huán)境下，給待蒸發(fā)物提供足夠的熱量以獲得蒸發(fā)所必需的蒸氣壓。在適當溫度下，蒸發(fā)粒子在基片上凝結(jié)，這樣即可實現(xiàn)真空蒸發(fā)薄膜沉積。 真空蒸發(fā)沉積薄膜具有簡單便

19、利、操作容易、成膜速度快、效率高等特點，是薄膜制備中最為廣泛使用的技術(shù)，這一技術(shù)的缺點是形成的薄膜與基片結(jié)合較差，工藝重復(fù)性不 好。 3、真空蒸發(fā)沉積過程的三個步驟？ 答：（1）蒸發(fā)源材料由凝聚相轉(zhuǎn)變成氣相；（2） 在蒸發(fā)源與基片之間蒸發(fā)粒子的輸運；（3）蒸發(fā)粒子到達基片后凝結(jié)、成核、長大、成膜。 4、真空蒸發(fā)系統(tǒng)有哪幾個組成部分？ 答： 真空室， 蒸發(fā)源或蒸發(fā)加熱裝置； 放置基片及給基片加熱裝置。 5、何為物質(zhì)的飽和蒸氣壓？ 答：在一定溫度下，蒸發(fā)氣體與凝聚相平衡過程中所呈現(xiàn)的壓力稱為該物質(zhì)的飽和蒸氣壓。 6、何為物質(zhì)的蒸發(fā)溫度？ 答：物質(zhì)的飽和蒸氣壓隨溫度的上升而增大，相反，一定的飽和蒸氣

20、壓則對應(yīng)著一定的物質(zhì)溫度。規(guī)定物質(zhì)在飽和蒸氣壓為10-2Torr時的溫度，稱為該物質(zhì)的蒸發(fā)溫度。 7、電阻絲加熱蒸發(fā)法的加熱裝置有哪四個主要特點？ 答； 它們只能用于金屬或某些合金的蒸發(fā)； 在一定時間內(nèi)，只有有限量的蒸發(fā)材料被蒸發(fā)； 在加熱時，蒸發(fā)材料必須潤濕電阻絲； 一旦加熱，這些電阻絲會變脆，如果處理不當甚至會折斷。 8、電阻加熱蒸發(fā)法的主要缺點是： 答：（1）支撐坩堝及材料與蒸發(fā)物反應(yīng)；（2）難以獲得足夠高的溫度使介電材料，如Al2O3、Ta2O5、TiO2等蒸發(fā)； （3）蒸發(fā)率低；（4）加熱時合金或化合物會分解。 9、激光蒸發(fā)技術(shù)的優(yōu)點。 答：（1）激光是清潔的，使來自熱源的污染減少到

21、最低； （2）激光光束只對待蒸鍍材料的表面施加熱量，可減少來自待蒸鍍材料支撐物的污染； （3）激光束聚焦可獲得高功率密度，使高熔點材料也可有較高的沉積速率； （4）激光束發(fā)散性較小，激光及其相關(guān)設(shè)備可以相距較遠； （5）采用外部反射鏡導(dǎo)引激光光束，很容易實現(xiàn)同時或順序多源蒸發(fā)。 10、真空電弧蒸發(fā)屬于物理氣相沉積，其過程包括： （1）等離子體的產(chǎn)生； （2）等離子體被輸運到基片； （3）最后凝聚在基片上以形成所需性質(zhì)的薄膜。 11、脈沖激光蒸發(fā)的優(yōu)勢有哪些？ 答：脈沖激光蒸發(fā)的優(yōu)勢在于可以使源材料的原始純度保持下來，同時減少了坩堝污染。另外，被照射的靶和基片的平均溫度都很低。因此沉積是在低溫下

22、進行。因此脈沖激光蒸發(fā)法對于化合物材料的組元蒸發(fā)具有很大優(yōu)勢。即使化合物中的組元具有不同的蒸氣壓，在蒸發(fā)時也不會發(fā)生組分偏離現(xiàn)象。 12、何為濺射？ 答：在某一溫度下，如果固體或液體受到適當?shù)母吣芰Ｗ樱ㄍǔ殡x子）的轟擊，則這些原子通過碰撞有可能獲得足夠的能量從表面逃逸，這一將原子從表面發(fā)射出去的方式稱為濺射。 13、濺射的主要實驗事實有哪些？ 答：（l）濺射出來的粒子角分布取決于入射粒子的方向；（2）從單晶靶濺射出來的粒子顯示擇優(yōu)取向；（3）濺射率（平均每個入射粒子能從靶材中打出的原子數(shù)）不僅取決于入射粒子的能量，而且也取決于入射粒子的質(zhì)量；（4）濺射出來的粒子平均速率比熱蒸發(fā)的粒子平均速率

23、高得多。 14、簡述直流輝光放電等離子體產(chǎn)生的過程。 答：在兩極加上電壓，系統(tǒng)中的氣體因宇宙射線輻射會產(chǎn)生一些游離離子和電子，但其數(shù)量是很有限的，因此所形成的電流是非常微弱的，這一區(qū)域AB稱為無光放電區(qū)。隨著兩極間電壓的升高，帶電離子和電子獲得足夠高的能量，與系統(tǒng)中的中性氣體分子發(fā)生碰撞并產(chǎn)生電離，進而使電流持續(xù)地增加，此時由于電路中的電源有高輸出阻抗限制致使電壓呈一恒定值，這一區(qū)域BC稱為湯森放電區(qū)。在此區(qū)域，電流可在電壓不變情況下增大。當電流增大到一定值時（C點），會發(fā)生“雪崩”現(xiàn)象。離子開始轟擊陰極，產(chǎn)生二次電子，二次電子與中性氣體分子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生更多的離子，離子再轟擊陰極，陰極又產(chǎn)生

24、出更多的二次電子，大量的離子和電子產(chǎn)生后，放電便達到了自持，氣體開始起輝，兩極間的電流劇增，電壓迅速下降，放電呈負阻特性，這一區(qū)域CD 叫做過渡區(qū)。 在D點以后，電流平穩(wěn)增加，電壓維待不變，這一區(qū)域DE稱為正常輝光放電區(qū)。在這一區(qū)域，隨著電流的增加，轟擊陰極的區(qū)域逐漸擴大，到達E 點后，離子轟擊已覆蓋至整個陰極表面。此時繼續(xù)增加電源功率，則使兩極間的電流隨著電壓的增大而增大，這一區(qū)域EF 稱做“異常輝光放電區(qū)”。 在異常輝光放電區(qū)，電流可以通過電壓來控制，從而使這一區(qū)域成為濺射所選擇的工作區(qū)域。在F 點以后，繼續(xù)增加電源功率，兩極間的電流迅速下降，電流則幾乎由外電阻所控制，電流越大，電壓越小，

25、這一區(qū)域FG 稱為弧光放電區(qū)”。 15、相對于真空蒸發(fā)鍍膜，濺射鍍膜具有如下特點： （l）對于任何待鍍材料，只要能作成靶材，就可實現(xiàn)濺射； （2）濺射所獲得的薄膜與基片結(jié)合較好， （3）濺射所獲得的薄膜純度高，致密性好； （4）濺射工藝可重復(fù)性好，膜厚可控制，同時可以在大面積基片上獲得厚度均勻的薄膜。 濺射存在的缺點是，相對于真空蒸發(fā)，它的沉積速率低，基片會受到等離子體的輻照等作用而產(chǎn)生溫升。 16、何為濺射率？ 答：濺射率又稱濺射產(chǎn)額或濺射系數(shù)，是描述濺射特性的一個重要參數(shù)，它表示入射正離子轟擊靶陰極時，平均每個正離子能從靶陰極中打出的原子數(shù)。 17、簡述濺射率的影響因素。 答：（1）濺射率

26、與入射離子的種類、能量、角度以及靶材的種類、結(jié)構(gòu)等有關(guān)。濺射率依賴于人射離子的質(zhì)量，質(zhì)量越大，濺射率越高。 （2）在入射離子能量超過濺射閾值后，隨著入射離子能量的增加，在150eV 以前，濺射率與入射離子能量的平方成正比；在15010000eV范圍內(nèi)，濺射率變化不明顯；入射能量再增加，濺射率將呈下降趨勢。（3）濺射率隨著入射離子與靶材法線方向所成的角（入射角）的增加而逐漸增加。在0° 60°范圍內(nèi)，濺射率與入射角q 服從1/cosq 規(guī)律；當入射角為60°80°時，濺射率最大，入射角再增加時，濺射率將急劇下降；當入射角為90°時，濺射率為零。

27、濺射率一般隨靶材的原子序數(shù)增加而增大，元素相同，結(jié)構(gòu)不同的靶材具有不同的濺射率。 另外，濺射率還與靶材溫度、濺射壓強等因素有關(guān)。 18、濺射原子的能量分布一般呈何分布，濺射原子的能量和速度具有哪些特點？ 答：濺射原子的能量分布一般呈麥克斯韋分布，濺射原子的能量和速度具有以下特點：（1）原子序數(shù)大的濺射原子濺射逸出時能量較高，而原子序數(shù)小的濺射原子濺射逸出的速度較高；（2）在相同轟擊能量下，濺射原子逸出能量隨入射離子的質(zhì)量而線形增加； （3）濺射原子平均逸出能量隨入射離子能量的增加而增大，但當入射離子能量達到某一較高值時，平均逸出能量趨于恒定。 19、磁控濺射具有的兩大特點和需要優(yōu)化的主要實驗參

28、數(shù)有哪些？ 答：磁控濺射具有沉積溫度低、沉積速率高兩大特點。 在濺射鍍膜過程中，可以調(diào)節(jié)并需要優(yōu)化的實驗參數(shù)有電源功率、工作氣體流量與壓強、基片溫度、基片偏壓等。 20、低壓濺射的主要優(yōu)點有哪些？ 答：（1）在低工作壓強情況下，薄膜中被俘獲的惰性氣體的濃度會得到有效降低；（2）濺射原子具有較高的平均能量，當它們打到基片時，會形成與基底結(jié)合較好的薄膜。 21、電子的離化效率的主要提高方法有哪些？ 答：（1）增加額外的電子源來提供電子；（2）提高已有電子的離化效率；（3）利用附加的高頻放電裝置；（4）施加磁場。 22、三極濺射系統(tǒng)的主要缺點是什么？ 答：（1）難以從大塊扁平靶中產(chǎn)生均勻濺射；（2）

29、放電過程難以控制；（3）工藝重復(fù)性差。 23、相對于傳統(tǒng)濺射過程，離子束濺射的優(yōu)點？ 答：主要優(yōu)點：具有工作壓強低、減小氣體進入薄膜、濺射粒子輸送過程中較少受到散射；離子束濺射還可以讓基片遠離離子發(fā)生過程。其它還有： 離子束窄能量分布使我們能夠?qū)R射率作為離子能量的函數(shù)來研究； 可以使離子束精確聚焦和掃描； 在保持離子束特性不變的情況下，可以變換靶材和基片材料； 可以獨立控制離子束能量和電流。 24、何為反應(yīng)濺射？ 答：在存在反應(yīng)氣體的情況下，濺射靶材時，靶材料會與反應(yīng)氣體反應(yīng)形成化合物的濺射。 25、通過增加離子動能或通過離化提高化學活性可使薄膜具有何種優(yōu)點？ 答：（1）與基片結(jié)合良好；（2

30、）在低溫下可實現(xiàn)外延生長；（3）形貌可改變；（4）可合成化合物等。 26、離子和表面的相互作用構(gòu)成所有離子助沉積技術(shù)的關(guān)鍵因素，最重要的離子表面相互作用為什么？ 答： 離子轟擊可以對基片表面吸附的雜質(zhì)實現(xiàn)脫附和濺射，這一功能經(jīng)常被用于沉積前的基片清洗； 涂層原子被俘獲或穿入，使氣體原子進入到亞表層； 起初的基片濺射和隨后的涂層原子濺射，這將減少膜生長率但可以導(dǎo)致原子的混合； 涂層和基片原子的位移似及點陣缺陷的產(chǎn)生，原子位移導(dǎo)致基片和膜原子的劇烈混合，而增強的缺陷密度可以促進快速的互擴散。 27、離子轟擊在離子鍍膜過程中的重要作用。 答：（1）離子轟擊對基片表面起到濺射清洗作用。（2）離子轟擊會

31、使基片表面產(chǎn)生缺陷。（3）離子轟擊有可能導(dǎo)致基片結(jié)晶結(jié)構(gòu)的破壞。（4）離子轟擊會使基片表而形貌發(fā)生變化。（5）離子轟擊可能造成氣體在基片表面的滲入，同時離子轟擊的加熱作用也會引起滲入氣體的釋放。（6）離子轟擊會導(dǎo)致基片表面溫度升高，形成表面熱。（7）離子轟擊有可能導(dǎo)致基片表面化學成分的變化。 28、離子轟擊對基片/膜所形成的界面產(chǎn)生重要的影響。 答：（1）離子轟擊會在膜/基片所形成的界面形成“偽擴散層”，這一“偽擴散層”是基片元素和膜元素物理混合所導(dǎo)致的。（2）離子轟擊會使表而偏析作用加強，從面增強沉積原子與基片原子的相互擴散。（3）離子轟擊會使沉積原子和表面發(fā)生較強的反應(yīng)，使其在表面的活動受

32、到限制，而且成核密度增加，促進連續(xù)膜的形成。（4）離子轟擊會優(yōu)先清洗掉松散結(jié)合的界面原子，使界面變得更加致密，結(jié)合更加牢固。（5）離子轟擊可以大幅改善基片表面覆蓋度，增加繞射性。 29、離子轟擊對薄膜生長過程的影響。 答：（l）離子轟擊能消除柱狀晶結(jié)構(gòu)的形成。（2）離子轟擊往往會增加膜層內(nèi)應(yīng)力。 30、在離子束沉積中離子束有哪兩種基本組態(tài)。 答：在直接離子束沉積中，離子束存在低能情況下直接沉積到基片上；在離子束濺射沉積過程中，高能離子束直接打向靶材，將后者濺射并沉積到相鄰的基片上。 31、分子束外延生長的主要特點。 答：（1）由于系統(tǒng)是超高真空，因此雜質(zhì)氣體（如殘余氣體）不易進入薄膜，薄膜的純

33、度高。（2）外延生長一般可在低溫下進行。（3）可嚴格控制薄膜成分以及摻雜濃度。（4）對薄膜進行原位檢測分析，從而可以嚴格控制薄膜的生長及性質(zhì)。當然，分子束外延生長方法也存在著一些問題，如設(shè)備昂貴、維護費用高、生長時間過長、不易大規(guī)模生產(chǎn)等。 32、化學分子束外延具有的主要優(yōu)點。 答：（1）半無限大源有精確控制電子流作用；（2）單一族分子束可自動保證組分均勻；（3）可以獲得高沉積率。 33、何為有機金屬化學氣相沉積，對原料的要求。 答：有機金屬化學氣相沉積是采用加熱方式將化合物分解而進行外延生長半導(dǎo)體化合物的方法。作為含有化合物半導(dǎo)體組分的原料，化合物有一定的要求。（1）在常溫下較穩(wěn)定而且較易處

34、理；（2）反應(yīng)的副產(chǎn)物不應(yīng)阻礙外延生長，不應(yīng)污染生長層；（3）在室溫下應(yīng)具有適當?shù)恼魵鈮海?Toor）。 34、有機金屬化學氣相沉積的特點有哪些？ 答：（1）反應(yīng)裝置較為簡單，生長溫度范圍較寬；（2）可對化合物的組分進行精確控制，膜的均勻性和膜的電學性質(zhì)重復(fù)性好；（3）原料氣體不會對生長膜產(chǎn)生蝕刻作用。因此，在沿膜生長方向上，可實現(xiàn)摻雜濃度的明顯變化；（4）只通過改變原材料即可生長出各種成分的化合物。 第四章 薄膜的形成與生長 1、詳述薄膜生長過程中具有明顯特征的生長順序（沉積階段）。 答：（1）首先形成無序分布的三維核，然后少量的沉積物迅速達到飽和密度，這些核隨后形成所觀察到的島，島的形狀由

35、界面能和沉積條件決定。整個生長過程受擴散控制，即吸附和亞臨界原子團在基片表面擴散并被穩(wěn)定島俘獲。 （2）當島通過進一步沉積而增大尺寸時，島彼此靠近，大島似乎以合并小島而生長。島密度以沉積條件決定的速率單調(diào)減少。這一階段（稱為合并階段I）涉及島間通過擴散實現(xiàn)可觀的質(zhì)量傳遞。 （3）當島分布達到臨界狀態(tài)時，大尺寸島的迅速合并導(dǎo)致形成聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，島將變平以增加表面覆蓋度。這個過程（稱合并階段II）開始時很迅速，一旦形成網(wǎng)絡(luò)便很快慢下來。網(wǎng)絡(luò)包含大量的空隧道，在外延生長情況下，這些隧道是結(jié)晶學形貌中的孔洞。 （4）生長的最后階段是需要足夠量的沉積物緩慢填充隧道過程。不管大面積空位在合并形成復(fù)合結(jié)構(gòu)的

36、何處形成，都有二次成核發(fā)生。這一二次成核隨著進一步沉積，一般緩慢生長和合并。 2、類液體合并機理認為島的少量移動可能因素有哪些？ 答：（1）入射荷能氣相原子撞擊引起的動量傳遞，（2）島間具有電荷而產(chǎn)生的靜電吸引等。（3）施加橫向電場產(chǎn)生加速合并等實驗觀察也說明了小島移動的發(fā)生。 3、決定聚集和膜生長的重要因素是吸附原子的遷移率，簡述影響吸附原子遷移率的主要因素。 答：遷移率隨著表面擴散激活能的減小而增加，隨遷移過程中吸附原子的有效溫度或動能的增加而增加，也隨基片溫度和表面光滑度的增加而增加。 4、薄膜成核生長階段的高聚集來源于哪些原因？ 答：（1）高的沉積溫度；（2）氣相原子的高的動能，對于熱

37、蒸發(fā)意味著高沉積率；（3）氣相入射的角度增加。這些結(jié)論假設(shè)凝聚系數(shù)為常數(shù)，基片具有原子級別的平滑度。 5、詳述薄膜生長的三種模式及生長條件，并給出示意圖。 答：（l）島狀模式（或Volmer-Weber模式）。當最小的穩(wěn)定核在基片上形成就會出現(xiàn)島狀生長，它在三維尺度生長，最終形成多個島。當沉積物中的原子或分子彼此間的結(jié)合較之與基片的結(jié)合強很多時，就會出現(xiàn)這種生長模式。 （2）單層模式（或Frank-VanderMerwe模式）。在單層生長模式中，最小的穩(wěn)定核的擴展以壓倒所有其他方式出現(xiàn)在二維空間，導(dǎo)致平面片層的形成，在這一生長模式中，原子或分子之間的結(jié)合要弱于原子或分子與基片的結(jié)合。第一個完整

38、的單層會被結(jié)合稍松弛一些的第二層所覆蓋。只要結(jié)合能的減少是連續(xù)的，直至接近體材料的結(jié)合能值，單層生長模型便可自持。 （3）層島復(fù)合模式（或Stranski Krastanov 模式）。層島模式是上述兩種模式的中間復(fù)合。在這種模式中，在形成一層或更多層以后，隨后的層狀生長變得不利，而島開始形成。從二維生長到三維生長的轉(zhuǎn)變，人們還未認識清楚其緣由，但任何干擾層狀生長結(jié)合能特性的單調(diào)減小因素都可能是出現(xiàn)層島生長模式的原因。 這三種模式分別示意于下圖。 第五章 薄膜表征 1、何為自發(fā)輻射？ 答：當X 射線、電子束打到薄膜樣品后，在樣品的原子中會產(chǎn)生空位，電子將從外殼層填充空位而實現(xiàn)躍遷，躍遷同時伴隨著

39、光子的發(fā)射，這一過程稱之為自發(fā)輻射。 2、何為電子能量損失譜（EELS）？ 答：當入射電子束打到薄膜樣品后，與固體薄膜中的原子發(fā)生相互作用，電子束將顯現(xiàn)特征能量損失，從而獲得固體薄膜中原子相互作用信息，這即為電子能量損失譜（EELS）。 3、紅外吸收和拉曼散射的原因是什么，為什么某些分子振動對紅外吸收敏感，而另一些分子振動則對拉曼散射敏感？ 答：紅外吸收是由引起偶極矩變化的分子振動產(chǎn)生的，而拉曼散射則是由引起極化率變化的分子振動產(chǎn)生的，其原因在于：紅外吸收是紅外范圍的低頻率光直接與分子振動相互作用，而可見光和紫外光等高頻率光只是和分子內(nèi)的電子相互作用，因此，由于作用的方式不同，某些分子振動對紅

40、外是敏感的，而另外一些分子振動則對拉曼散射敏感。 4、為什么說紅外吸收和拉曼散射的選擇定則與分子振動的對稱性密切相關(guān)？ 答：（1）對于具有對稱中心的分子振動，紅外不敏感，拉曼散射敏感；相反，對于具有反對稱中心的分子振動，紅外吸收敏感而拉曼散射不敏感。（2）對于對稱性高的分子振動，拉曼散射敏感。 5、薄膜應(yīng)力有哪兩類，它們各自形成的原因是什么？ 答：薄膜應(yīng)力可以分為外應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力。薄膜外應(yīng)力包括外界所施加的應(yīng)力，基片和薄膜熱膨脹不同所導(dǎo)致的應(yīng)力和薄膜與基片共同受到塑性變形所引起的應(yīng)力，而薄膜內(nèi)應(yīng)力則是薄膜的內(nèi)稟性質(zhì)，它形成的主要原因是薄膜生長中的熱收縮、晶格錯配或雜質(zhì)的存在、相變、表面張力等因素

41、。 6、薄膜應(yīng)力的一般形式有哪些？ 答：有軸向張力、軸向壓力、雙軸張力和靜水壓力以及純切應(yīng)力。 7、當薄膜的厚度tf 相對與基片的厚度ts很小時，薄膜與基片膨脹系數(shù)的相對大小對薄膜應(yīng)力的性質(zhì)的影響如何？當應(yīng)力過大時薄膜會產(chǎn)生何現(xiàn)象？ 答：（1）當afas時，薄膜則存在拉應(yīng)力；（2）而當af <as 時，薄膜存在壓應(yīng)力。當薄膜受到壓應(yīng)力作用時，薄膜一般會出現(xiàn)起皺、起泡和剝離現(xiàn)象，而當薄膜受到拉應(yīng)力作用時，則會出現(xiàn)裂紋直至斷裂等現(xiàn)象。 7、 根據(jù)基片應(yīng)變量求薄膜變形量的方法有哪些？ 答：（1）把基片一端固定，求出膜生長時產(chǎn)生的自由端位移d；（2）使用圓形基片，從牛頓環(huán)的移動量求出d；（3）將

42、基片一端固定，在膜生長時，在基片自由端加力，測出阻止基片變形所需力的大?。唬?）觸針法：在一定方向上移動觸針，測得薄膜沉積前后基片的變形量；（5）單狹縫衍射法：將基片一端做成單狹縫，把平行光照射在單狹縫上，測量衍射光的強度，則由強度I 和狹縫寬度 d 的函數(shù)關(guān)系確定d。另外測量方法還有光斷面顯微鏡法、干涉儀法、全息攝影法等。 8、簡述薄膜應(yīng)力對X 射線衍射峰的影響規(guī)律及利用X 射線衍射技術(shù)測量薄膜應(yīng)力的兩種方法。 答：薄膜具有宏觀應(yīng)力，則X 射線衍射峰位會出現(xiàn)位移，而如果薄膜具有微觀應(yīng)力，則X 射線衍射峰的寬度會變寬。利用X 射線衍射技術(shù)測量薄膜應(yīng)力的兩種方法為：（1）一種方法是改變X 射線入

43、射角，同時改變探測器的方向，觀測正反射方向的衍射圖形；（2）另一種方法是X 射線的入射角保持一定，改變探測器方向觀測衍射線圖形。 第六章 薄膜材料 1、超硬材料（硬度超過40GPa）可以劃分為哪三類？ 答：（l）由周期表中第2 、3 周期的輕元素所形成的共價和離子¾共價化合物；（2）特殊共價固體，包括各種結(jié)晶和無序的碳材料；（3）與輕元素形成的部分過渡金屬化合物，如硼化物、碳化物、氮化物和氧化物。 2、金剛石的CVD 制備過程中，原子氫的特殊作用有哪些？ 答：（1）首先，原子氫與石墨發(fā)生反應(yīng)或?qū)κM行蝕刻，它的反應(yīng)速度比金剛石高2030倍左右，因此石墨及其他非金剛石相可以迅速地從基

44、片上被清除掉，只有具有金剛石結(jié)構(gòu)的團簇保留下來并繼續(xù)生長。（2）原子氫使金剛石表面變得穩(wěn)定并保持sp3雜化組態(tài)。（3）原子氫可將碳氫化物轉(zhuǎn)變成原子團，而原子團是金剛石形成所必需的先導(dǎo)物。（4）原子氫從附著在表面的碳氫化合物中分離出氫，從而產(chǎn)生用于金剛石先導(dǎo)物吸收的活性位置，但是，過量的原子氫會引起不必要的強分解發(fā)生，石墨將很容易出現(xiàn)，從而損害了金剛石膜的質(zhì)量。 另外，在等離子體助CVD 生長金剛石膜過程中，H對基片的蝕刻速度超過原子H，因而在金剛石膜生長過程中起到主導(dǎo)作用。在反應(yīng)氣體中加入氧，如CO、O2或乙醇也對CVD 金剛石膜生長速度和質(zhì)量有積極作用，而且使得金剛石生長可以在低溫下進行。 3、DLC合成方法可以分幾類，各包括哪幾種技術(shù)？ 答：化學氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD ) 方法。 第一種方法包括離子束助CVD 沉積、直流等離子體助CVD 、射頻等離子體助CVD 、微波放電等；第二種包括陰極電弧沉積、濺射碳靶、質(zhì)量選擇離子束沉積、脈沖激光熔融（PLA）等。 4、何為智能材料？ 答：智能材料就是指那些對環(huán)境具有可感知、可響應(yīng)、具有功能發(fā)現(xiàn)能力的新材料。